金属制品的压铸成型方法

专利名称:金属制品的压铸成型方法
本发明涉及利用被称为压铸成形，冲压铸造成模压铸造的技术加工制品。为了简便的原因这些技术在整个说明书和权利要求
书中将统称之谓“压铸技术”。压铸成形技术基本上包括将液态金属注入铸型的第一部分，在压力下合上铸型，使得液态金属受到关闭铸型的压迫，填满铸型中的型腔而不夹带空气。当凝固过程中保持对金属的压力，以保证封闭和填满任何一个可能形成的缩孔，然后打开铸型并取出成形的制品。
生产各种压铸成形制品已为人们所知，通常是铝或铝合金的。但是这类产品一般只具有相当简单的形状。那么当需要一个比较复杂的形状时，要实现这样的形状常常必须压铸成形加工制品之后进行一些类型的机加工处理。
然而，我们共同的悬而未决的英国专利申请8311262公开并要求保护了一种利用压铸成形制造金属制品的方法，由此在一种无需后序机加工的压铸制品上构成了需要的形状。如我们引述的专利申请所公开的，需要的形状是通过下面的方法实现的在注入熔融金属之前，在压铸成形压力机的铸型内放置一压制成形的可溶盐型芯。这个型芯被压实到足以承受压铸成型过程中对其施加的压力而保持完整的密度，而且有很高的表面光洁度，使得在压制成形制品上生成相应的不需任何机加工的光洁表面。具体地说，压实的可溶盐型芯经过成形以制出内燃机活塞顶部中的凹型腔。
对于利用不同于我们引述的专利申请公开的方法生产压铸成形的内燃机活塞，人们已经建议围绕凹腔的边缘加强顶部。这些其它的方法包括在压铸成形压力机中放置一个加强镶嵌物，然后将熔融金属浇注在它上面，这样所形成的活塞就有一个加强镶嵌物结合在活塞顶的表面上。加强物的材料可以是固体金属块或晶须或纤维的网状物，它这样嵌铸在成形的活塞上后必须经过机加工，以成为成品活塞所需的凹腔形状。
本发明的目的是提供一个利用压铸成形生产制品的改进的方法，利用它可以使制品构成复杂的形状，而不需要后序的大量机加工，并且同时这些形状中需要进行加强处理的地方经过有选择地加强。
根据本发明提供了一个通过在铸型中压铸成形熔融金属制品轻金属制品的方法，其中将熔融金属注入铸型，利用压力合型，以推动熔融金属填满铸型的型腔，并且保持金属在压力下凝固，然后打开铸型，取出成形的制品;其特征在于通过将熔融金属注入之前，在铸型中放置型芯和靠近型芯的加强镶嵌，使得在压铸成形制品形成了一个需要的形状，它具有在制品的金属基体中延伸到所述形状的至少一个边界部分的增强件;还在于型芯由被压实到如此密度和表面光洁度的可溶盐型芯构成，使得它在压铸成形过程中由金属传递的持续高温和压力的条件下，保持其完整性。然后从压铸成形的制品中溶解出型芯。
用于整个说明书和权利要求
中的术语“加强”应理解为加强以防止应力断裂的意思，以及提供耐磨性意义上的加强。
这样的一种可溶型芯和加强镶嵌能够方便地用来在压铸成形制品上提供凹进部分和透孔。作为例子这样的型芯和加强体可以经过成形在内燃机活塞的顶部提供一个凹型空腔;或再举一例这样的型芯和加强镶嵌物可以经成形在环道系统的一个链节上提供一个透孔;这些凹腔或透孔的整个或部分边可以根据情况利用加强镶嵌材料进行加强。
上述的盐型芯即可以只通过等压成形，又可以基本上通过单独的等压成形再机加工而简便地压制成需要的形状;熔融金属适宜由一种轻金属如，铝、镁或它们的合金组成;加强镶嵌材料适宜由无机晶须或纤维垫片构成;从而熔融金属将渗入晶须或纤维间的缝隙，所述的晶须或纤维就镶嵌在压铸成形制成的产品中紧靠着由盐型芯成形的部分。这些晶须或纤维垫可以由硅酸铝材料构成。加强镶嵌物可以是环形的，而且在最初放置时可以将其围绕在制好的盐型芯上放进压铸成形压力机的铸型部分。
本发明的方法适用于制造内燃机的轻金属活塞，其中活塞顶的凹陷部分是在压铸成形压力机中压铸成型的。此压力机有一个底部铸型和一个可以与之作垂直相对协同运动的上冲压头，制好的型芯及加强镶嵌物放置在底部铸型中，这样就能在活塞顶部形成一个带加强边界的凹腔。
为了防止盐型芯中的水份聚集，最好加一些干燥剂，由此将提供高流动特性，当等压成形时有助于盐较密实的填充，保证致密的压制。干燥剂可由占比例大约为型芯重量的0.1%的碳酸镁或磷酸镁组成。明显地，干燥剂必须是经过精选的，它在金属的成形温度，如铝是在680℃至750℃的范围内，不能分解。盐和干燥剂一起最好具有所有下述的性能1.材料必须易于加工成形为需要的形状。
2.材料必须有足够的强度，经得住处理和压铸成形过程中需要的温度和压力。
3.材料必须是易溶的(最好在水中)以便于将型芯从成形的制品中分离出来。
4.型芯材料的熔液应该很少或没有对金属的腐蚀破坏。
5.材料应能回收而重复使用。
型芯最好用具有粒径在5至250微米之间的精细粒状氯化钠，它和干燥剂一起可以很容易地在大约30，000P、S、i(207MPa)的压力下冷等压成形为需要的形状。没有必要对等压成形的盐和干燥剂型芯进行任何后序的烧结处理。
另外，在最好在型芯材料中添加膨胀改良剂，以减少或消除压铸成形过程中盐的热应力断裂的发生。这样的膨胀改良剂可能包括例如，氧化铝、玻璃粉未、铜合金浸渗剂、石墨、云母或细硅酸铝纤维。
通过这里给出的以下描述，参照附图作为例子，本发明的其它特征将变得很明显。
图1是一个成形的等压压实的盐型芯的侧面图，用于成形活塞顶部的凹型空腔。
图2是一个环状加强镶嵌物的轴向断面图。
图3是一个压出状态下的铝压铸成形活塞的轴向断面图，显示由图1的型芯和图2的镶嵌物成形的带有加强边的凹腔。
图4是与图3中显示的相同的轴向断面图，只是在此相对于那里转90°角。
图5是沿图3中5-5线的横断面图。
图6是与图3中方向相同的轴向断面图，但它说明的是机加工后的成品活塞。
图7是与图6中的成品活塞相同的轴向断面图，只是相对那里转90°角。
图8是沿图6中8-8线的横断面图。
虽然本发明的方法可用于任何金属制品的压铸成形，这些制品都具有一个需要成形的形状、通常是复杂的形状，但不需要对这些形状的后序机加工。但是下面给出的描述仅仅参考有关用于内燃机的活塞制造的附图，这样的活塞通常用铝或其合金成形，尽管它也可以由镁或其合金成形。
活塞是在压铸成型压力机(未图示出)中成形的，这种压力机通常包括一个底部铸型部件和一个可以与之垂直相对运动的配合冲压头。底部铸型部件可以是静止的，上冲头可以往复地压入和退出与之配合的底铸型部件。底铸型部件本身可以包括二个或更多的，可作横向运动的铸型部件，这些部件可以互相紧靠地装配在一起，从而与底铸型部件确定一个铸型的型腔。在图示的实施例中，活塞包括两个铁的结合在压铸成形的活塞上的膨胀镶嵌物。并且在压铸成形过程中，这样的膨胀镶嵌可以方便地利用埋在冲头的边壁上的钮磁铁固定在上冲头上。
盐型芯10是在液体中的尿脘或橡胶弹性袋中经等压压实成形的，对液体施加了大约30，000P、S、i(207MPa)的压力。盐是粒径为5至250微米之间的精细粒状氯化钠，并且掺有碳酸镁或磷酸镁的干燥材料。一种膨胀改良剂也加在这种混合物中。这种改良剂包括如氧化铝、玻璃粉末、一种铜合金浸渗剂、石墨、云母或细硅酸铝纤维。通过上述的等压成形处理，一个定制的盐型芯可以很容易地制成如附图1所示的形状，并且将具有足够的牢固性抵抗压铸成形过程中其承受的温度和压力。它还具有这样的表面光洁度，以在压铸成形的活塞上形成一个相应的成形表面，这样的活塞将不需要任何后序的机加工。
图1描述的型芯10是经等压成形为其需要的最后形状，而不用任何后序的机加工处理。然而，取决于需要形状的复杂程度，可能有必要先把型芯材料压制成大致的形状，然后进行后面的机加工处理，使型芯成为其需要的最后形状。
环形加强镶嵌物11适宜用铝基材料制成，其中的平衡化合物可以是比例在2%到60%间变化的二氧化硅。这种材料的一个例子是由I、C、I、(卜内门化学工业有限公司)制造并以商品名“Saffil”出售的物质。
构成加强物的典型铝基纤维具有2.9um到3.5um的平均直径;从50∶1到500∶1的纵横比(长∶直径的比率);和2.89m/CC到3.39m/CC的密度(取决于铝∶二氧化硅的比率)。
纤维适宜利用下述的程序结合成环形加强物(或任何其它预定的形状)先将纤维分散在水中，然后向其中同时添加两种类型的粘合剂(一种为有机的，另一种为无机的)和其它需要的添加物，以便在悬浮液经过筛子过滤而产生一凝聚的垫片以及后序的加压和干燥步骤中，保持所述粘结剂在纤维上均匀和充分地附着。当还湿着的时候，垫片可以经压制实现纤维的密实填充封闭，这样就在最后的金属纤维复合材料上增加了加强的体积率。
利用通过一个筛子过滤收集纤维，使得它排列为基本上为二维的、具有平行于垫片大平面的取向的无规则形状，正是这种填充使得在最后的复合材料中实现纤维的高体积率。当这种垫片与金属结合时，这种排列还使金属上具有各向异性的性质。
无机的粘结剂可以是已知在工艺上用于生产以无机纤维为基础的刚体或半刚性结构的那些粘结剂当中的任何一种。一种最好的无机粘结剂是二氧化硅，因为它在压铸成形过程中基本上保持在适当的状态，并且可能增加湿润度和易于液态金属渗透。有机的粘结剂可以是已知在工艺上用于生产挠性或半刚性结构的那些当中的任何一种，乳胶就是这类粘结剂中的一种。有机粘结剂的目的是提高加工的强度。如好的加工强度使运送圆盘或垫块(由它们经过后面的切割而得到圆盘)及切割过程中损坏的危险减少到最低限度。这样的有机粘结剂在将镶嵌物放置在压铸成形铸型之前的任何阶段都能够烧尽，并且这样的烧尽不仅将除去有机粘结剂，而且将改善无机粘结剂和纤维之间的粘结强度。
在压铸成形压力机的底铸型中，图1的型芯10是放置在图2的镶嵌物11中间，膨胀镶嵌物被磁固定在冲头上，侧面可移动的底铸型部件闭锁在一起。熔融的铝进入铸型腔，上冲头与铸型实现协作啮合，推动熔融的铝充满由冲头和底铸型部件确定的空腔，并且当凝固时，将铝保持在大约10，000P、S、i(70MPa)的压力下，然后打开模型，取出压铸成型的活塞，通过如用热水喷注的方法从活塞中溶解出成形的盐型芯。
成形的活塞12显示在附图3、4和5中，在那里可以看到一个凹型腔14已经在活塞顶部16上形成，这个凹腔14的形状和表面光洁度达到不需进行任何进一步的机加工处理的程度。同时也可以从图4和图5中清楚地看到铁膨胀镶嵌18结合在活塞的侧边缘部分20。尤其还能从图3中看到，径向相对的孔22在压铸成形压力机的侧面可移动的铸型中利用适当的芯棒成形在活塞裙的位置，在此将机加工一个用来接受活塞销的透孔。
同样如图3和4所示，成形的活塞12在顶部还具有一个环形镶嵌物15。这个镶嵌15可以简便地用与镶嵌物11同样的材料和相同的方法构成。尽管镶嵌15的密度可能比镶嵌物11的要小。镶嵌15的典型密度可能是0.2gms/CC，而镶嵌物11的密度可能是0.5gms/cc镶嵌15是企图在机加工时提供一个对活塞环的耐磨支撑;而镶嵌11首先打算作为对凹腔14的边缘的加强，而且不需要对起初成形的图2中的形状进行任何后序的机加工。
在压铸成形过程中，熔融金属将完全渗透到镶嵌物11和15的纤维之间缝隙中，使得纤维被牢牢地嵌铸在成形活塞的凝固金属中。
图6至8说明完全完成机加工的活塞24，其中用来安装活塞销的透孔26已经形成，并且活塞环槽28已经被切削进顶部的圆周表面和镶嵌物15的暴露表面，同时还对顶16和镶嵌物11的上表面进行了刮削处理。但是凹型腔14却完全没有经过机加工。
如此，本发明尤其适于在成形活塞的顶部构成一个带加强边的凹型腔，而不需要对空腔，也不需要对加强镶嵌物进行任何后序的机加工。这样对于容易出现操作应力断裂的凹腔区域可以提供一个坚固的凹角，使它得到充分的加强，以防止这样的断裂。
人们将意识到，在成形的活塞上可以给活塞凹腔表面的加强部分上的加强镶嵌物复盖上一层薄金属皮。换句话说，镶嵌物的纤维可以不露暴在凹型腔的表面。反之如果在镶嵌物结合在活塞的凹腔区域之后，对凹腔和镶嵌物进行机加工，则切割或断开的纤维头将暴露出来，从而形成加强物不平整的暴露表面。在活塞凹腔里出现不平整表面，可能对涡流特性产生不利的影响，这当然对于发动机的燃烧性能是危险的。
人们将认识到，本发明不仅仅限于成形如附图所示的特殊凹型腔形状，虽然本发明确实找到了对于图示和描述的形状在压铸成形内燃机活塞上的特殊应用。这样通过制备适当形状的成形可溶盐型芯和加强或耐磨镶嵌物可以使压铸成形制品构成许多形状。而上述型芯和镶嵌物不会化学腐蚀压铸成形的金属，具有足够的牢固性和表面光洁度承担压铸成形过程中受到的压力，并构成在制品上带有加强的或耐磨边缘的形状。这些制品不需要任何后序的机加工。
例如，利用在注入熔融金属之前在铸型腔内提供一个圆柱形的可溶型芯材料和镶嵌材料，可以在挤压成形的环道系统的链节上构成一个透孔。另一方面在使用为在成形制品上提供圆柱透孔的型芯材料上，可以利用下述的方法进行节约以可溶型芯材料作为金属管周围的包复层，随后可溶的包复层被从压铸成形制品上溶解下来，从而使得直径小些的金属管可以取出。
勘误表CPCH85617权利要求
1.一个通过在铸型中压铸成形熔融金属制造轻金属制品的方法，其中，将熔融金属注入铸型，利用压力合型，以推动熔融金属填满铸型的型腔，并且保持金属在压力下凝固，然后打开铸型取出成型的制品；其特征在于通过将熔融金属注入之前，在铸型中放置型芯和靠近型芯的加强镶嵌，使得挤压成型制品形成了一个需要的形状，它具有在制品的金属基体中延伸到所述形状的至少一个边界部分的增强件；还在于型芯由被压实到如此密度和表面光洁度的可溶盐型芯构成，使得它在压铸成型过程中，由金属传递的持续高温和压力的条件下，保持其完整性。然后从压铸成形的制品中溶解出型芯。
2.根据权利要求
1的方法，其中盐型芯完全是经过等压压实成形的。
3.根据权利要求
2的方法，其中盐型芯是在大约30，000P、S、i(207MPa)的压力下等压成型的。
4.如任何一个前面的权利要求
所述的方法，其中构成盐型芯的盐是具有粒径5至20微米之间的精制粒状氯化钠。
5.根据任何一个前面的权利要求
的方法，其中构成盐型芯的盐掺有干燥剂。
6.根据任何一个前面的权利要求
的方法，其中熔融金属包括铝、镁或它们的合金。
7.根据任何一个前面的权利要求
的方法，其中加强镶嵌材料由无机晶须或纤维垫片构成，在压铸成形过程中，熔融的金属将渗透进晶须或纤维之间的缝隙并且所述的晶须或纤维在由盐型芯构成的制品成形部分附近嵌入压铸的制品中。
8.根据权利要求
7的方法，其中晶须或纤维垫由硅酸铝材料组成。
9.根据任何一个前面的权利要求
的方法，其中加强镶嵌物是环形并围绕成形的盐型芯上。
10.如任何一个前面权利要求
所述的用于内燃机活塞制造的方法，其中活塞顶部凹腔的压铸成形是在具有一底部铸型部份和可相对互相竖直运动的配合冲压头的压铸成形压力机中完成的成形的，型芯和加强镶嵌物被放置在底部铸型部件里成形而构成了活塞顶部上带有加强边缘的凹腔。
11.根据权利要求
10的方法，其中成形盐型芯以在活塞顶部制备一凹角型空腔。
12.根据权利要求
10或11中的任何一个的方法，其中上冲压头上装有用来支撑铁膨胀镶嵌的磁固定装置，以便将它结合在压铸成形的活塞上。
13.实质上如上文参照附图所描述的压铸成形活塞的制造方法。
14.根据任何一个前面的权利要求
的方法生产的压铸成形金属制品，具有一成形的形状。在它上边有一个加强的边，其形状不需要对压出制品的机加工。
15.如权利要求
14要求的压铸成形金属制品，构成一个用于内燃机的轻金属活塞，其中在活塞的顶部形成了一个凹角型空腔，围绕凹腔的边缘带有环状的加强。
专利摘要
一个压铸成型的铝合金制品，如活塞，是通过在注入熔融金属之前先放置一个等压成型的盐型芯(10)和环形硅酸铝纤维垫(11)在压铸成型压力机的铸型腔里面成型的，它具有一个带加强边缘的凹形空腔(14)。然后从压铸成型制品中溶解出型芯(14)，对于这个无需后序机加工的制品提供了一个增强的相应形状。
文档编号B22D17/00GK85101949SQ85101949
公开日1987年1月17日 申请日期1985年4月1日
发明者J·巴洛·罗杰斯 申请人:Gkn科技有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan